基于AMT等加速控制的帶式輸送機啟動特性研究

李鵬洲，張彥麗

（1.潞安集團山西高河能源有限公司，山西 長治047100；2.長治市上黨區應急管理局，山西 長治047100）

引言

隨著對煤炭運輸要求的不斷提高，以帶式輸送機為代表的各類型的散料輸送設備不斷投入使用，極大地提升了對煤炭的運輸效率。輸送機受工作原理的限制，在啟動過程中必然會在輸送帶內產生動張力，當動張力過大時將對輸送機系統產生巨大的沖擊，造成輸送帶斷裂、機架受沖擊折斷、輸送帶跑偏等事故，給煤炭生產企業造成巨大的經濟損失。現有的各類型的變頻調速軟啟動、交流電機軟啟動等雖然降低輸送帶動張力的效果比較顯著，但普遍存在著價格昂貴、故障率高、對使用環境要求高的缺點，因此研究一種結構簡單、軟啟動特性優良、價格便宜的軟啟動方式，確保輸送機系統在啟動過程中的平穩性。

1 帶式輸送機的AMT 軟啟動工作原理

本文以異步電機為輸送機系統的驅動電機，將AMT作為輸送機系統的啟動裝置，通過在輸送機啟動過程中逐步換擋來確保輸送機在啟動過程中的平穩性，以AMT裝置為啟動裝置的輸送機軟啟動系統結構及工作原理如圖1所示。

圖1 AMT軟啟動系統的結構簡圖

帶式輸送機在工作時的阻力可分為系統阻力FH、物料的提升阻力Fst、輸送機系統的附加阻力FN及輸送機系統的特種阻力Fs，運行過程中的總阻力可表示為[1]：

輸送機在運行過程中各阻力的總的阻力矩Tf可表示為：

輸送機在工作過程中通過離合器作用在從動軸上的阻力矩TL可表示為：

式中：i0為軟制動裝置的減速比；R為帶式輸送機驅動滾筒的半徑；ig為軟制動裝置的傳動比；η為軟制動裝置的傳動效率。

因此可將AMT軟啟動裝置的控制扭矩與帶式收縮功能機啟動時的加速度之間的關系表示為[2]：

式中：TC為軟制動裝置輸出扭矩；Jg為軟制動裝置的輸出轉動慣量；J0為減速器輸入軸的轉動慣量；Jcf為軟制動裝置從動盤的轉動慣量；v為輸送機的額定運行速度；M為輸送機的等效運行質量；

當各個參數確定后，即可將AMT軟啟動裝置工作時對不同擋位的輸出扭矩，轉換為與輸送帶運行時的啟動加速度之間的線性比例關系，在輸送機工作時的負載和輸送機的阻力扭矩確定后即可通過精確控制AMT軟啟動裝置[3]的傳遞扭矩來實現對輸送帶啟動加速度的精確控制。

2 帶式輸送機系統的三維建模

帶式輸送機在工作時，由于輸送帶的黏彈性特性及驅動滾筒對輸送帶的摩擦驅動力，使輸送帶在驅動滾筒的切入側和分離側的張緊力并不相同，為了確保輸送帶在啟動過程中的平穩性，就需要使兩側張力及控制系統給其施加的張緊力之間維持一定的關系，可表示為：

式中：T1為輸送帶在切入側的張力；T1為輸送帶在分離側的張力；μ為驅動滾筒和輸送帶之間的摩擦力；Ftmax為輸送機驅動滾筒工作時對輸送帶的最大驅動力；Ts為系統調節輸送帶內張力時提供的張緊力；α為輸送帶和驅動滾筒的圍包角；Ffs為輸送帶和張緊系統之間的運動阻力。

在對輸送機穩定工作時進行受力分析的基礎上，利用AMEsim仿真分析軟件[4]，以某型輸送機結構參數為基礎，建立該輸送機系統的仿真分析模型，如圖2所示。本文在對輸送機系統進行建模時，只考慮AMT軟啟動裝置的扭矩控制和接合控制規律，在軟啟動裝置的離合器分開后，最初輸送機系統的運行帶速較低，因此在各類型的運行阻力的作用下輸送帶的運行速度會逐漸降低，考慮軟啟動裝置在擋位轉換過程中若分離和接合的時間過快則會導致系統產生較大的沖擊，不僅不利于對輸送帶張緊力的控制，而且還會對啟動裝置造成損害，影響其使用壽命，因此可將其軟制動裝置的分離時間設置為50 ms，將結合的時間設定為400 ms。

圖2 基于AMT軟啟動系統的帶式輸送機系統模型

3 基于AMT等加速控制的輸送機啟動特性的仿真分析

在對基于AMT等加速控制的輸送機啟動特性進行研究時，要求系統從靜止逐步加速啟動到設定的穩定運行速度3.31 m/s，在仿真過程中控制AMT軟啟動裝置按等加速控制方式從最低擋開始，逐步進行換擋，仿真分析結果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 啟動時輸送帶的加速度變化曲線

由圖3可知，在逐步對軟啟動裝置進行換擋過程中在每次離合器的分離和接合的時候均會產生一個短時間的加速度突變，最大突變量約為0.8 m/s2，對整個系統的沖擊較小，在整個過程中其換擋后的穩定加速度為0.2 m/s2，輸送帶從靜止到達到穩定運行帶速所經歷的實際時間約為29.9 s。

由圖4可知，在啟動過程中，輸送帶的加速度的突變會導致滾筒的緊邊的張緊力發生突然的變化，其最大瞬時張緊力約為68 kN，當在穩定加速階段時其緊邊的張緊力保持在60.1 kN，當輸送帶穩定運行后其緊邊的張緊力約為45.2 kN，由此可知在整個啟動過程中輸送帶因換擋所產生的動張力最大為7.9 kN，遠低于輸送帶可承受的極限張緊力，因此啟動時的穩定性較高。

圖4 啟動時驅動滾筒的緊邊張力變化曲線

由圖5可知，在輸送機啟動過程中驅動滾筒的扭矩在換擋時也會出現顯著的波動，其扭矩的瞬間最大值可達22.9 kN·m，其穩定時的扭矩約為18.41 kN·m，在啟動時的扭矩波動量約為4.49 kN·m，穩定后驅動滾筒的扭矩約為10.89 kN·m，遠低于驅動滾筒的極限扭矩，因此穩定性較高，可靠性好。

圖5 啟動時驅動滾筒的扭矩變化曲線

4 結論

1）在每次加速過程中，輸送帶的最大加速度突變量約為0.8 m/s2，對系統的沖擊振動較??；

2）在AMT軟啟動系統換擋時，在輸送帶內產生的最大的動張力僅比正常穩定加速換向時的動張力大7.9 kN，遠低于輸送帶可承受的極限張緊力，安全性高；

3）在啟動過程中驅動滾筒的扭矩波動約為4.49 kN·m，遠低于驅動滾筒的極限扭矩，因此穩定性較高，可靠性好，完全滿足輸送機系統平穩性的啟動要求。